绿氢制取成本预测及与灰氢、蓝氢对比

绿氢制取成本预测及与灰氢、蓝氢对比

在全球碳中和背景下，氢能产业发展迎来重大机遇。本文深入分析了绿氢制取成本及其与灰氢、蓝氢的对比，探讨了不同能源来源对制氢成本的影响，并预测了未来成本变化趋势。研究发现，随着可再生能源度电成本的降低和碳价的上升，绿氢将在2030年后成为最具竞争力的制氢方式。

1. 电解水制氢成本分析

以制氢规模1000Nm³/h的电解水制氢为例，装置采用电解槽技术及三塔流程纯化工艺，测算假设如表1所示[6，8]。

电解水制氢设备、安装、土建及其他总投资1410万元，当用电价格为0.56元/kWh时，每年用电费用为2150万元，成本合计2404万元，对应氢气成本3元/Nm³（合34元/kg）。电解水制氢成本中用电成本占比超过80%，因此电解水制氢对电价十分敏感，度电成本是影响绿氢成本的重要因素。若采用自建光伏、陆上风电和海上风电项目制氢，随着设备成本下降，规模效应呈现，光伏、陆上风电、海上风电的度电成本分别为0.21元/kWh、0.29元/kWh和0.55元/kWh时（未考虑电网输配电费用），对应的制氢成本分别为1.3元/Nm³（15元/kg）、1.7元/Nm³（19元/kg）和2.9元/Nm³（33元/kg）；若光伏和风电成本进一步分别降至0.1、0.15元/kWh，则对应的制氢成本降至0.8元/Nm³（9元/kg）和1.0元/Nm³（12元/kg），如表2所示。

2. 灰氢、蓝氢和绿氢制取成本预测

在不考虑碳价和CCS技术的情况下，假定煤制氢成本在515元/kg，天然气制氢成本为918元/kg[2]，甲醇制氢成本约21元/kg。工业副产氢综合成本在13~23元/kgH2（包括提纯成本）。

度电成本是影响电解水制氢成本最关键的因素，电解水制氢成本随着绿电成本变化而变化。2030年以后大部分地区光伏发电度电成本将从目前的0.3元/kWh降至0.2元/kWh以下[9]，对应的制氢成本降至14元/kg，可与多数灰氢展开竞争，具体见图1。2050年光伏度电成本有望降至0.08元/kWh[9]，光伏发电－电解水制氢成本可降至7元/kg，低于甲醇制氢、天然气制氢和工业副产氢成本。

陆上风电的发电成本稍高于光伏发电成本，2020–2050年，随着陆上风电的度电成本从0.210.34元/kWh降至0.110.17元/kWh[9]，陆上风电－电解水制氢成本将由1422元/kg降至913元/kg。如图2所示，目前陆上风电－电解水制氢成本与工业副产氢成本相当，低于甲醇制氢成本（21元/kg）；但仅在风能资源最好的地区，陆上风电－电解水制氢成本低于天然气制氢成本。2035年陆上风电度电成本降至0.2元/kWh，制氢成本将低于工业副产氢成本，也可与天然气制氢成本竞争。如果不考虑碳价和碳排放约束，未来30年内陆上风电－电解水制氢与煤制氢相比，在多数地区都不具有竞争优势。

目前海上风电发电成本较高，随着风机大型化和漂浮式海上风电等技术的突破未来成本降幅较大，但依然高于陆上风电和光伏。2020–2050年，随着海上风电的度电成本从0.430.66元/kWh降至0.20.33元/kWh[9]，陆上风电－电解水制氢成本将由2639元/kg降至1421元/kg，具体见图3。由于海上风电度电成本高企，目前海上风电－电解水制氢成本完全高于灰氢成本，到2025–2030年，随着海上风电成本降至0.25~0.47元/kWh[9]，在部分风资源条件好的地区，海上风电－电解水制氢成本将略低于甲醇制氢、工业副产氢和天然气制氢。但即使到2050年，海上风电－电解水制氢的成本依然高于煤制氢成本。

综上所述，预计到2035年左右，随着绿电成本的降低，绿氢与灰氢和蓝氢相比都将更具备竞争力；如果碳价同步快速上涨，时间节点还将提前。绿电的度电成本每降低0.1元/kWh，氢气成本将降低约5元/kg。当绿电度电成本由目前的0.5元/kWh降低至0.2元/kWh，氢气成本可下降约16元/kg；当绿电度电成本降至0.1元/kWh，可与灰氢展开竞争。

3. 碳价对灰氢－蓝氢－绿氢制取环节成本的影响

目前灰氢在工业用氢中成本最低。未来当绿电成本走低，碳价格走高后，灰氢–蓝氢–绿氢的成本将发生变化。

2030年，以光伏发电和陆上风电作为电力来源的绿氢成本约1016元/kg。煤制氢产生的CO2为1125kgCO2/kgH2，结合CCS技术后，碳排降低至27kgCO2/kgH2[10]。计算可得，碳价每增加0.1元/kgCO2，煤制氢成本将增加12.5元/kg。2030年CCS成本约为0.21元/kgCO2，假定碳价为0时煤制氢成本为10元/kg，碳价每增加0.1元/kgCO2煤制氢的成本增加约2元/kg。

如图4所示，当碳价高于0.4元/kgCO2时，煤制氢成本开始高于绿电制氢成本；当碳价高于0.5元/kgCO2时，煤制氢将高于煤制氢＋CCS的制氢成本。即在2030年，当碳价低于0.2元/kgCO2时，直接煤制氢的成本最低；当碳价处于0.20.4元/kgCO2时，煤制氢与绿电制氢成本相当，部分煤制氢项目成本低于煤制氢＋CCS制氢项目成本；当碳价处于0.40.5元/kgCO2时，煤制氢成本高于绿电制氢成本，但仍低于部分煤制氢＋CCS制氢项目成本；当碳价高于0.5元/kgCO2时，不采取任何措施的煤制氢成本与绿电制氢和煤制氢＋CCS相比，都不再具有经济性。

天然气制氢产生的CO2为816kgCO2/kgH2，结合CCS技术后，碳排降低至16kgCO2/kgH2[10]。计算可得，碳价每增加0.1元/kgCO2，天然气制氢的成本增加约0.8~1.6元/kg。假定碳价为0时，天然气制氢成本为17元/kg，碳价每增加0.1元/kgCO2，天然气制氢的成本增加约1元/kg。

如图5所示，当碳价高于0.25元/kgCO2时，部分天然气制氢项目成本将高于天然气制氢＋CCS的制氢成本；当碳价高于1元/kgCO2时，天然气制氢成本完全高于天然气制氢＋CCS的制氢成本。由于光伏和陆上风电度电成本快速下降，2030年绿电制氢成本已完全低于天然气制氢成本；随着碳价的升高，绿电制氢的成本优势将进一步凸显。由于天然气制氢排放的CO2相对较少，天然气制氢＋CCS对降低由碳排产生成本的贡献较小，反而会增加CCS技术成本，经济性较差。只有当碳价大于1元/kgCO2时，天然气制氢＋CCS的成本才会低于直接天然气制氢成本，而2030年国内碳价达到1元/kgCO2较难实现，因此短期内可不考虑天然气制氢＋CCS模式。

因此，如果对制氢环节实施内部碳价格，将增加灰氢和蓝氢成本。碳价每增加0.1元/kgCO2，煤制氢成本将增加12.5元/kg，天然气制氢成本将增加0.81.6元/kg。2030年，当碳价高于0.5元/kgCO2时，各制氢成本之间存在如下关系：灰氢>蓝氢（煤制氢＋CCS）>绿氢。

4. 结论

1）电解水制氢成本中用电成本占比超过80%，度电成本成为影响绿氢成本的重要因素。鉴于目前网电以火电为主，为控制CO2排放，若采用自建光伏、陆上风电和海上风电项目制氢，现阶段光伏、陆上风电、海上风电的度电成本为0.21元/kWh、0.29元/kWh和0.55元/kWh（未考虑电网输配电费用），对应的制氢成本分别为15元/kg、19元/kg和33元/kg，若光伏和风电成本降至0.1和0.15元/kWh，对应的制氢成本降至9元/kg和12元/kg。

2）目前，灰氢在工业用氢中成本最低，蓝氢与绿氢相对灰氢竞争力不足。当绿电度电成本由目前的0.5元/kWh降低至0.2元/kWh时，氢气成本可下降约16元/kg；当绿电度电成本降至0.1元/kWh，可与灰氢展开竞争。因此，预计2035年左右，随着绿电成本降低，绿氢与灰氢和蓝氢相比都将具备竞争力。

3）碳价每增加0.1元/kgCO2，煤制氢成本将增加12.5元/kg，天然气制氢成本将增加0.81.6元/kg。2030年当碳价高于0.5元/kgCO2时，各制氢成本之间存在如下关系：灰氢>蓝氢（煤制氢＋CCS）>绿氢。

该文是理想状态下进行的测算，仅用于估算终端加氢站用氢场景（日用氢量在1吨左右）在生产端使用绿氢、蓝氢与灰氢的成本竞争力，未考虑储存和运输环节成本。如果是工业规模用氢，还需考虑新能源年发电小时数（全国平均：风电2000多小时，光伏1100多小时）、电解水制氢装置年利用小时数与工业规模用氢年利用小时数（7200小时以上）的差异，以及由此带来的制氢与用氢环节供需匹配，如何通过工业储氢技术加以解决等问题。此外，电解水制氢技术、煤和天然气制氢技术指标采用目前技术指标数据，随着电解水制氢技术的快速发展，绿氢成本下降速度会更快。

本文原文来自中国能源网